針對建筑結構設計中不規則設計問題的探討

趙旭

摘要：建筑結構對于現代城市來講，不僅僅是居住環境，也是一種文化符號，是城市人文環境的反映。建筑行業的不斷發展，不規則建筑結構大量的涌現，其結構和設計的科學性是保證建筑結構穩定的關鍵，本文針對建筑結構設計中不規則的設計問題進行了探討。

關鍵詞：現代建筑；不規則結構；設計

一、高層建筑結構設計中不規則性的主要表現形式

高層建筑各種不規則的結構形式主要表現為：扭轉不規則、凸凹不規則、樓板局部不連續、側向剛度不規則、豎向值驟變、豎向抗側力構件不連續，豎向抗側力構件的內力由水平轉換構件向下傳遞、樓層承載力突變、結構的周期比過大、復雜高層結構，帶轉換層的結構、帶加強層的結構、錯層結構、連體結構、多塔樓結構等。

扭轉不規則表現是偶然偏心的位移大于1.2。凸凹不規則表現為平面狹長，抗震設防烈度是6度或7度時，平面長寬比大于6.0；凹進尺寸太多，平面凹進側的尺寸大于投影總尺寸的0.35；凸出的過細，凸出部分的長寬比要大于2.0。

樓板局部不連續主要表現在樓板開洞凹進后，有效樓板的寬度小于該層樓板典型寬度的一半左右；開洞面積明顯大于該層的樓面面積；選擇細腰型平面；有較大范圍的樓層錯層情況。

側向剛度不規則主要表現在樓層側向剛度要小于相鄰三層樓層平均值的80%左右，小于相鄰上部樓層的70%左右；高層結構上部樓層與室外地面高度的距離要高于房屋高度20%，收進的平均尺寸要大于相鄰下層樓層尺寸25%；如高層結構的上面部分樓層外挑，下面樓層的水平值要高于上部90%，并且水平外挑尺寸要大于4m。

二、建筑結構不規則控制參數

1、位移比（層間位移比）是指按剛性樓板假定計算樓層的最大水平位移（或層間位移）與該樓層兩端平均水平位移（或層間位移）的比值。位移比是控制結構平面不規則性的重要指標。規則結構的位移比不宜大于1.2；不規則結構的位移比A級高層建筑不應大于1.5，B 級高層建筑不應大于1.4。SATWE 軟件可以分別輸出考慮單向地震、雙向地震、偶然偏心影響的位移比，供設計人員選用。位移比的計算及調整應結合工程實際進行，例如，當樓層最大層間位移角的絕對值很小時，考慮偏心影響的位移比限值可以適當放松。

2、周期比是結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。控制周期比的目的是控制結構扭轉變形要小于結構平動變形，控制地震作用下結構扭轉激勵振動效應不成為主振動效應，避免結構扭轉破壞。結構的周期比 A 級高層建筑不應大于0.9，B級高層建筑和復雜高層建筑不應大于0.85。SATWE 軟件不能自動計算輸出周期比，需要設計人員根據計算結果及各振型特征自行判斷計算。周期比不滿足要求，主要通過改進結構設計方案，加強周邊主體結構，弱化內部主體結構，提高結構抗扭剛度來解決。

3、側向剛度比是相鄰樓層間側向剛度的比值，它是控制結構豎向不規則的重要指標。結構某樓層的側向剛度不應小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。剛度比不滿足要求，說明該豎向不規則結構出現薄弱層，該層地震剪力應乘以1.15的增大系數。SATWE軟件可以自動計算各樓層的剛度比，并對剛度比不滿足要求的薄弱層放大地震剪力。

4、層間受剪承載力比是相鄰樓層間抗側力結構受剪承載力的比值，是控制結構豎向不規則的重要指標。建筑結構的樓層層間抗側力結構受剪承載力與其上一層受剪承載力的比值不宜小于0.8；不規則建筑結構A級高層建筑的受剪承載力比不應小于0.65，B級高層建筑不應小于0.75。受剪承載力比小于0.8，說明該結構有薄弱層，該層地震剪力應乘以1.15的增大系數。SATWE 軟件可以計算輸出各樓層的受剪承載力比，但需要設計人員自行判斷是否有薄弱層及是否需要調整地震力。

三、設計計算

1、不規則建筑結構的設計計算

結構的不規則性是由多方面原因造成的，幾何形狀的劇烈變化、荷載傳遞路徑的中斷、承載力和剛度變化的非連續性、由樓板或剪力墻開洞導致的控制部位的分解、超常規的構件截面尺寸、凹角、缺少足夠的贅余度以及非結構構件布置不當引起結構變形形態的改變等。結構的不規則將使結構的地震反映復雜化，因此應特別強調采用抗震概念設計，根據地震災害和工程經驗形成的基本設計原則和基本設計思想，進行建筑結構的總體布置，根據結構的不規則程度，采用不同的計算分析方法，并對可能出現的薄弱部位采取有效的抗震措施。

2、選擇合理的計算分析方法

“三水準抗震設防，兩階段抗震設計”是我國現階段的基本抗震設計思想。在結構設計方案初步確定以后，應針對結構的不規則程度，合理選擇抗震計算方法。

2.1多遇地震作用和彈性工作狀態下的內力和變形分析第一階段設計可假定結構與構件處于彈性工作狀態，內力和變形設計可采用線性靜力方法或線性動力方法。常用的結構分析方法有：

（1）底部剪力法，適用于：規則的多層結構；規則的高度不超過40m高層結構。

（2）振型分解反應譜法，這是SATWE軟件主要的計算分析方法，適用于：規則的多高層結構；一般不規則多高層結構；特別不規則的高層結構。

（3）彈性時程分析方法，應采用二組實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符，即單條波計算的結構總地震剪力不小于按反應譜方法計算的65%，多條波計算的平均值不小于反應譜法的80%。

四、不規則高層建筑結構設計中應采取的措施

很多地震案例中，扭轉脆性破壞很容易對不規則建筑造成嚴重的影響，導致建筑物坍塌等事故。保證不規則高層建筑的安全性，一方面必須限制建筑平面布置的不規則性，避免在設計中偏心過大，而導致結構發生嚴重的扭轉，另一方面，要加強建筑結構的扭轉剛度，通過加強這兩方面的設計，來避免安全隱患。

1、減小結構相對偏心距，調整不規則結構平面布置

改善建筑結構的扭轉效應，降低樓層位移程度，可以通過調整建筑結構的質心和剛心的距離。科學分析計算建筑結構平面不規則布置，找到結構質心和剛心的位置，根據建筑結構的實際情況，拉近質心和剛心的距離，從而減小建筑結構的偏心率，改善結構的扭轉效應。

2、控制結構周期比，調整結構抗側剛度和抗扭剛度比

控制建筑結構周期比，是調整結構不規則布置的重要手段。通過調整結構的抗扭剛度，減小結構的扭轉周期，還可以在結構邊設置拉梁，提高結構的抗扭度，從而減小扭轉周期。

3、提高周邊抗扭構件抗剪力，增強結構抗扭性能安全

在發生強震時，建筑結構中原本對稱的結構會在地震的作用下發生偏心的情況，所以除了調整建筑結構布置，還應加強建筑結構中重要部件的抗剪性，提高建筑結構在地震作用下的抗扭性，保證強震狀態下，建筑物能保持高彈性狀態。

4、抗震設計時，設置防震縫

如果建筑平面形狀較為復雜，很難將結構調整成規則形態時，應在設計中，設置防震縫，將復雜的結構劃分成各個單元，能夠幫助清晰、直觀的分析建筑結構，更好的完成抗震設計。如果抗震縫周圍的結構較為復雜時，要綜合考慮抗震縫的寬度設置，如果臨近結構的基礎沉降加大，必須價款抗震縫的寬度，保證建筑結構的抗震性能有效發揮。

參考文獻：

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